¿Qué hace que se mueva la parte inferior de una rueda en movimiento rodante?

Como acabo de aprender sobre el movimiento de balanceo, que es la combinación de traslación pura y rotación pura. La parte superior del cuerpo rodante tiene la velocidad del doble de la velocidad en el centro del objeto, mientras que la parte inferior no tiene velocidad.

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Además, se puede ver como la rotación que toma el eje en la parte inferior.

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Sin embargo, comparando ambas explicaciones con lo que veo en la vida real, en este caso, la rueda rodante, y en el análisis dinámico, ¿por qué la parte inferior que no tiene velocidad puede moverse?

Por ejemplo, una rueda rodando en la calle, digamos que la parte inferior de la rueda no tiene velocidad, pero la rueda es un cuerpo rígido y, a medida que pasa el tiempo, se mueve una distancia, por lo que la parte inferior debe tener velocidad para moverse, pero como definición, la el fondo no tiene velocidad, lo que significa que está estacionario, entonces, ¿qué hace su desplazamiento si no hay velocidad?

Está siguiendo Principios de física de Walker, Resnick, Halliday. Allí se explica lúcidamente.
Aquí estamos hablando del concepto de velocidad instantánea . El fondo en cualquier instante no se mueve, pero el siguiente instante ya no está en el fondo.

Respuestas (3)

La parte inferior de la rueda es una parte diferente de ella en cada momento. Si sigue un punto en particular en la rueda, verá que se mueve hacia abajo y se desacelera en el movimiento hacia adelante hasta que toca la superficie a velocidad cero e inmediatamente comienza a moverse hacia arriba y acelera hacia adelante nuevamente. Hasta el doble de rápido en la parte superior para ponerse al día y volver a estar en el lado delantero y luego desciende y desacelera y el ciclo se repite.

Esta animación de Wikipedia muestra bastante bien el camino tomado por un punto arbitrario en una rueda:

camino del punto en la rueda

El camino se llama cicloide .

En realidad, la parte inferior de la rueda no se mueve. De lo contrario, patinaría y tendría un agarre deficiente en la superficie, ya que la fricción estática (fuerza que evita que dos superficies comiencen a moverse entre sí) es mayor que la fricción dinámica (fuerza que se opone al deslizamiento de dos superficies).

¿Puede dar más detalles de por qué la parte inferior se desliza o se desliza, pero no se mueve, mientras que la imagen que me muestra en la que se mueve el punto inferior es la misma que la línea roja indica que se mueve de abajo hacia arriba, si se desliza, entonces el movimiento no es el rodando más?
@aukxn: No está patinando. Dije que de lo contrario estaría patinando. Si patina, el movimiento ya no gira, pero eso no significa que la rueda no gire en absoluto. Probablemente debería borrar el párrafo si te resulta confuso.

Esto se puede responder en dos marcos de referencia diferentes.

Si miramos este problema desde la perspectiva de un observador externo, cuando la rueda se mueve hacia adelante, la parte inferior de la rueda no se mueve en absoluto y la parte superior de la rueda se mueve al doble de la velocidad de la rueda misma. En este marco, a medida que la rueda avanza, la fuerza centrípeta proporcionada por la estructura de la rueda hace que el punto inferior inmóvil comience a moverse y el punto superior rápido comience a disminuir la velocidad. Cada punto de la mitad trasera de la rueda es arrastrado por la estructura de la rueda y se acelera. Cada punto de la mitad delantera de la rueda es empujado hacia atrás por la estructura de la rueda y se ralentiza.

Si miramos esto desde la perspectiva de la rueda en movimiento, no encontramos nada fuera de lo común. Si la rueda se mueve realmente a una velocidad v, entonces en su marco no hay nada más que un simple movimiento circular. La rueda parece estar girando normalmente con la parte inferior moviéndose en -v y la parte superior moviéndose en +v. La razón por la que el fondo comienza a acelerar en la dirección positiva se debe a la fuerza centrípeta, al igual que en cualquier movimiento circular.

La segunda perspectiva que proporciono parece un poco simplista, pero sigue siendo cierta. El punto inferior acelera en la dirección positiva debido a la fuerza centrípeta. Este es también el caso en el marco de un observador externo. El punto inferior, que no se mueve, acelera hacia adelante debido a la fuerza centrípeta.

Debe agregarse que, por supuesto, en el marco de referencia de la rueda, el suelo se mueve a − v , por lo que la parte inferior de la rueda aún no se mueve en relación con el suelo.
@JanHudec, ¿cómo es eso relevante o útil?

El problema es que "la parte inferior de la rueda" no es una parte física específica de la rueda. Es una función o descripción que se aplica a cada parte de la rueda a medida que se mueve alrededor del eje.

También podría preguntarse cómo la parte superior de la rueda puede viajar el doble de rápido que la rueda y permanecer conectada. La respuesta es que la "parte superior de la rueda" de doble velocidad es solo la "parte inferior de la rueda" lenta, alcanzando y adelantándose momentáneamente...

¿Qué hace que se mueva la parte inferior de una rueda en movimiento rodante?
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